STAT3與帕金森病發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

吳長寶，郝延磊

(1.濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院 臨床醫(yī)學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272029；2.濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院 神經(jīng)內(nèi)科，山東 濟(jì)寧 272029)

帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性死亡和腦干神經(jīng)元內(nèi)路易小體(Lewy body, LB)形成導(dǎo)致的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病[1]，臨床主要表現(xiàn)為靜止性震顫、肌強(qiáng)直、運(yùn)動遲緩和步態(tài)不穩(wěn)等運(yùn)動癥狀以及認(rèn)知功能障礙、抑郁、便秘、睡眠障礙和嗅覺障礙等非運(yùn)動癥狀，嚴(yán)重影響了患者的生活質(zhì)量，目前尚無特效治療方案。因此深入研究PD的相關(guān)機(jī)制，尋找有效的治療靶點(diǎn)或手段具有重要意義。信號傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducers and activators of transcription3，STAT3)是一種在人組織細(xì)胞中廣泛表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，可以將細(xì)胞外信號傳導(dǎo)到細(xì)胞核，具有信號傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活的雙重作用[2]。目前已有研究證實(shí)STAT3參與PD的病理進(jìn)程，可能是治療PD的重要靶點(diǎn)。本文就STAT3與PD發(fā)病機(jī)制關(guān)系的研究進(jìn)展作一綜述。

1 STAT3

STAT3是STATs家族的成員之一，主要由以下6個結(jié)構(gòu)域組成：氨基末端結(jié)構(gòu)域、 螺旋卷曲結(jié)構(gòu)域、DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域、連接器域、Src同源2(SH2)結(jié)構(gòu)域、羧基末端反式激活結(jié)構(gòu)域[3]。SH2結(jié)構(gòu)域是STAT3中功能最重要、最保守的結(jié)構(gòu)域，第705位酪氨酸有一個磷酸化位點(diǎn)(Tyr705)，它在受體相關(guān)酪氨酸激酶(如：Janus激酶)、受體酪氨酸激酶(如：表皮生長因子受體)和非受體酪氨酸激酶(如：Src激酶、Abl激酶)等酪氨酸激酶的作用下磷酸化，對STAT3的二聚化和核轉(zhuǎn)位起著關(guān)鍵作用[3-4]。STAT3α亞型的羧基末端反式激活結(jié)構(gòu)域第727位絲氨酸有一個磷酸化位點(diǎn)(Ser727)，可被絲/蘇氨酸激酶如絲裂原激活蛋白激酶(MAPKs)激活，并調(diào)節(jié)STAT3的轉(zhuǎn)錄活性[3-4]。STAT3通常定位于細(xì)胞質(zhì)中，處于不活躍狀態(tài)，既可以是單體，也可以是非磷酸化二聚體。在細(xì)胞因子和生長因子等配體的刺激下，上游激酶激活STAT3(Tyr705或Ser727位點(diǎn)的磷酸化)，磷酸化STAT3形成二聚體后進(jìn)入到細(xì)胞核中，介導(dǎo)相應(yīng)基因如抗凋亡基因Bcl-xL、Mcl-1及細(xì)胞周期調(diào)節(jié)基因c-myc、cyclin D1和促血管生成基因等表達(dá)的調(diào)控[3-4]。

2 STAT3在PD發(fā)病機(jī)制中的作用

2.1 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是PD患者黑質(zhì)紋狀體多巴胺能神經(jīng)元變性和神經(jīng)元凋亡的主要原因，是PD的重要發(fā)病機(jī)制。PD模型大鼠腦內(nèi)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、谷胱甘肽等清除活性氧(reactive oxygen species， ROS)的能力降低，導(dǎo)致組織細(xì)胞內(nèi)ROS積聚[5]，而ROS和其他自由基積聚引發(fā)的氧化損傷可能促進(jìn)多巴胺能神經(jīng)元的退化，進(jìn)而導(dǎo)致PD的持續(xù)進(jìn)展。

STAT3在神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)，但是在PD病理過程中的作用具有不確定性。一方面，激活的STAT3可以升高SOD、降低丙二醛(malondialdehyde，MDA)的含量，使ROS的水平降低，減輕氧化應(yīng)激，保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞，在PD病理進(jìn)程中發(fā)揮保護(hù)作用。黃芪甲苷IV通過激活JAK2/STAT3信號通路可顯著提高6-羥多巴胺誘導(dǎo)的人神經(jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y細(xì)胞存活率，降低MDA和ROS含量，抑制IL-1β、IL-6和TNF-α水平，從而增強(qiáng)細(xì)胞活力，減輕氧化應(yīng)激、炎性反應(yīng)和細(xì)胞凋亡[6]。類似地，雙去甲氧基姜黃素通過激活JAK2/STAT3信號通路可以提高魚藤酮處理的SH-SY5Y細(xì)胞存活率和抗氧化應(yīng)激能力，緩解魚藤酮對SH-SY5Y細(xì)胞的神經(jīng)毒性作用[7]。另一方面，激活的STAT3也能夠抑制抗氧化酶基因的表達(dá)，使SOD的表達(dá)降低，ROS的生成增加，進(jìn)而導(dǎo)致氧化應(yīng)激和神經(jīng)元損傷。隱丹參酮通過下調(diào)STAT3可以改善MPP+誘導(dǎo)的SH-SY5Y細(xì)胞的氧化應(yīng)激和凋亡[8]。

STAT3激活后對于ROS的生成既有促進(jìn)作用也有抑制作用，但其具體的分子機(jī)制尚不清楚，可能與STAT3磷酸化的位點(diǎn)不同等有關(guān)。

2.2 神經(jīng)炎性反應(yīng)

PD患者尸檢結(jié)果和動物模型的研究結(jié)果表明，神經(jīng)炎性反應(yīng)參與了PD的發(fā)病和病理過程。在PD的病理過程中，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞(小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞)的激活可產(chǎn)生大量的促炎細(xì)胞因子(如IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α)、趨化因子和神經(jīng)調(diào)節(jié)素等，在對血腦屏障產(chǎn)生破壞作用的同時，促進(jìn)多巴胺能神經(jīng)元的退行性變性和死亡，加重PD的病理進(jìn)程[9]。STAT3在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞中均有表達(dá)，磷酸化的STAT3參與小膠質(zhì)細(xì)胞活化和星形膠質(zhì)細(xì)胞增生[10]。

STAT3介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)通路作為神經(jīng)炎性反應(yīng)的正向調(diào)節(jié)因子能夠激活小膠質(zhì)細(xì)胞，調(diào)節(jié)多種特異炎性基因如IL-1β、IL-6和TNF-α等的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，導(dǎo)致相應(yīng)炎性介質(zhì)過度聚集和多巴胺能神經(jīng)元的退行性改變。錳暴露通過激活STAT3信號通路，促使小膠質(zhì)細(xì)胞活化，從而導(dǎo)致神經(jīng)炎性反應(yīng)和神經(jīng)元丟失[11]。相反，miR-93通過降低MPTP誘導(dǎo)的小鼠黑質(zhì)和脂多糖誘導(dǎo)的BV2小膠質(zhì)細(xì)胞中STAT3的表達(dá)，抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的活化和炎性反應(yīng)，減輕神經(jīng)元的損傷，在帕金森病模型中發(fā)揮抗炎和神經(jīng)保護(hù)作用[12]。

此外，STAT3還是星形膠質(zhì)細(xì)胞增生的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。γ干擾素可在JAK-STAT3級聯(lián)通路的介導(dǎo)下誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞的神經(jīng)毒性[13]。抑制STAT3的激活或DNA結(jié)合和轉(zhuǎn)錄活性可使黑質(zhì)中的膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)等神經(jīng)炎性蛋白表達(dá)降低，滅活激活的星形膠質(zhì)細(xì)胞，抑制神經(jīng)炎性反應(yīng)。(E)-2-甲氧基-4-(3-(4-甲氧基苯基)丙基-1-烯-1-基)苯酚可通過阻斷STAT3信號傳導(dǎo)通路，下調(diào)星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活，減少GFAP和iNOS等神經(jīng)炎性蛋白的表達(dá)，抑制神經(jīng)炎性反應(yīng)，改善多巴胺能神經(jīng)元變性和行為損傷[14]。

以上研究表明，小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞激活引發(fā)的神經(jīng)炎性反應(yīng)是PD重要的發(fā)病機(jī)制，而STAT3在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的活化中起著關(guān)鍵作用。因此，阻斷STAT3介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)通路可抑制神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞激活，在PD病理過程中發(fā)揮抗炎和神經(jīng)保護(hù)作用。

2.3 α-突觸核蛋白

α-突觸核蛋白(α-synuclein，α-syn)是一種神經(jīng)蛋白，主要存在于大腦中，與突觸小泡運(yùn)輸?shù)恼{(diào)節(jié)和神經(jīng)遞質(zhì)的最終釋放有關(guān)[15]。α-突觸核蛋白在大腦中的異常聚集以及參與形成的路易小體是PD的病理特征之一。大量聚集的α-syn可誘導(dǎo)固有免疫和適應(yīng)性免疫，在免疫反應(yīng)中過度激活小膠質(zhì)細(xì)胞可釋放IL-1β、IL-6、ROS、γ干擾素，使神經(jīng)元出現(xiàn)炎性反應(yīng)，進(jìn)一步使得多巴胺能神經(jīng)元凋亡，最終導(dǎo)致PD的發(fā)生[16]。

α-突觸核蛋白聚集物部分通過激活STAT3介導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞的活化和功能障礙。miR-let-7a通過靶向STAT3介導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞炎性反應(yīng)抑制α-syn誘導(dǎo)的PD癥狀[17]。細(xì)胞外α-syn(extracellular alpha-synuclein，eSNCA)可以直接與多巴胺能神經(jīng)元細(xì)胞中的纖毛神經(jīng)營養(yǎng)因子受體α (ciliary neurotrophic factor receptor α, CNTFR-α)相互作用，通過JAK1-STAT3信號傳導(dǎo)機(jī)制誘導(dǎo)產(chǎn)生神經(jīng)毒性，但是相較于內(nèi)源性α-syn， eSNCA對神經(jīng)細(xì)胞的影響可能是短暫的或很小的[18]。綜上所述，激活的STAT3可介導(dǎo)α-syn聚集物引起的小膠質(zhì)細(xì)胞活化，并導(dǎo)致后續(xù)的神經(jīng)炎性反應(yīng)和多巴胺能神經(jīng)元凋亡。

2.4 線粒體功能障礙

線粒體功能障礙是導(dǎo)致PD患者黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元選擇性喪失的主要病理機(jī)制。線粒體功能障礙可使ATP生成減少，ROS釋放增多，谷氨酸等具有興奮性和神經(jīng)毒性的氨基酸增加，細(xì)胞的脂質(zhì)和蛋白質(zhì)降解，最終導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元的死亡[19]。

Ser727位點(diǎn)磷酸化激活的STAT3可定位于線粒體，并與膠質(zhì)細(xì)胞神經(jīng)營養(yǎng)因子家族配體Neuturin誘導(dǎo)的神經(jīng)突生長密切相關(guān)。Ser727磷酸化的STAT3定位于線粒體后，線粒體STAT3(mitoSTAT3)通過增加線粒體膜電位和調(diào)節(jié)線粒體電子傳遞鏈的活性可改善受損的線粒體功能，從而發(fā)揮抗細(xì)胞凋亡作用[20]。例如，羅哌卡因通過抑制STAT3 Ser727位點(diǎn)的磷酸化和mitoSTAT3的易位誘導(dǎo)多巴胺能神經(jīng)元凋亡[20]。以上研究說明mitoSTAT3可通過調(diào)節(jié)線粒體的功能，在PD病理過程中發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。

2.5 鐵死亡

鐵死亡相關(guān)機(jī)制與神經(jīng)退行性病變之間可能存在著聯(lián)系。在重度帕金森病患者黑質(zhì)中鐵含量水平異常增高[21]。鐵調(diào)素(hepcidin)通過調(diào)節(jié)幾種鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白如鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1的表達(dá)來調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞中鐵的動態(tài)平衡[24]。鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1作為唯一的鐵外流轉(zhuǎn)運(yùn)體，可以被內(nèi)化和降解，從而抑制鐵外流[22]，在維持神經(jīng)細(xì)胞中鐵的動態(tài)平衡方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

STAT3轉(zhuǎn)錄因子能夠上調(diào)鐵調(diào)素的表達(dá)，降低鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1的水平，使機(jī)體內(nèi)游離的鐵離子大量積聚，當(dāng)超過人體正常水平時，ROS就會在細(xì)胞內(nèi)迅速生成，在二價鐵或酯氧合酶的作用下，催化細(xì)胞膜上高表達(dá)的不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)體過氧化，從而誘導(dǎo)大腦黑質(zhì)區(qū)的神經(jīng)細(xì)胞死亡，導(dǎo)致神經(jīng)退行性改變[23]。阻斷STAT3信號通路，可有效抑制鐵調(diào)素的表達(dá)，增加鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1的水平，從而阻止鐵的積聚，降低細(xì)胞鐵和鐵誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激[24]。這些研究均表明，STAT3參與了與PD相關(guān)的鐵死亡病理機(jī)制，阻斷STAT3相關(guān)的信號傳導(dǎo)通路能夠減少鐵死亡的發(fā)生，進(jìn)而保護(hù)多巴胺能神經(jīng)元。

3 問題與展望

PD是由多種因素如氧化應(yīng)激、神經(jīng)炎性反應(yīng)等共同作用導(dǎo)致的，這些因素導(dǎo)致了疾病的持續(xù)進(jìn)展，目前尚無特效治療藥物，以對癥治療為主，在疾病晚期有很大的局限性。而STAT3在PD發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用，通過藥物或分子途徑干預(yù)STAT3信號傳導(dǎo)通路有望成為一種新的PD治療策略。但是，目前關(guān)于STAT3參與PD病理進(jìn)程的具體分子機(jī)制尚不完全清楚，未來對其具體的分子機(jī)制和臨床應(yīng)用價值的探索，將有助于找到PD治療的新靶點(diǎn)，從而緩解或阻斷疾病的進(jìn)展。